JP2000049398A - Piezoelectric/electrostrictive film actuator - Google Patents
Piezoelectric/electrostrictive film actuatorInfo
- Publication number
- JP2000049398A JP2000049398A JP10216787A JP21678798A JP2000049398A JP 2000049398 A JP2000049398 A JP 2000049398A JP 10216787 A JP10216787 A JP 10216787A JP 21678798 A JP21678798 A JP 21678798A JP 2000049398 A JP2000049398 A JP 2000049398A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- electrostrictive
- zirconia
- ceramic substrate
- insulating ceramic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、低電圧駆動で、し
かも大きな屈曲変位が得られ、応答速度の早い信頼性に
優れた圧電／電歪膜型アクチュエータに関するものであ
り、特に、インクジェットプリンタヘッド、マイクロホ
ン、発音体（スピーカーなど）等の各種振動子や発振子
として好適なものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type actuator which can be driven at a low voltage, can obtain a large bending displacement, has a high response speed, and is excellent in reliability. , A microphone, a sounding body (such as a speaker) and the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、インクジェットプリンタヘッドや
マイクロホンあるいは発音体（スピーカーなど）などの
分野では、サブミクロンオーダーでの変位調整や微小変
位を電気信号として検知することが要求されており、こ
のような変位素子として強誘電体等の圧電／電歪材料に
電界を加えた時に起こる逆圧電効果や電歪効果を利用し
た圧電／電歪膜型アクチュエータの開発が進められてい
る。2. Description of the Related Art Conventionally, in fields such as an ink-jet printer head, a microphone, and a sound generator (such as a speaker), it has been required to adjust displacement on the order of submicrons and to detect minute displacement as an electric signal. As a displacement element, a piezoelectric / electrostrictive film type actuator utilizing an inverse piezoelectric effect or an electrostrictive effect which is generated when an electric field is applied to a piezoelectric / electrostrictive material such as a ferroelectric substance has been developed.
【０００３】例えば、インクジェットプリンタヘッドに
おいては、薄肉の絶縁性セラミック基板上に下部電極
膜、圧電／電歪膜、及び上部電極膜を順次積層し、熱処
理によって焼結一体化して構成した駆動部を有する圧電
／電歪膜型アクチュエータが使用されており、上記絶縁
性セラミック基板として、酸化イットリウム、酸化イッ
テルビウム、酸化セリウム、酸化カルシウム、酸化マグ
ネシウムのうち１種以上の安定化剤によって安定化ある
いは部分安定化されたジルコニアセラミックスにより形
成したものがあった（特開平５−２９６７５号公報、特
開平６−２６０６９４号公報参照）。[0003] For example, in an ink jet printer head, a driving unit formed by sequentially laminating a lower electrode film, a piezoelectric / electrostrictive film, and an upper electrode film on a thin insulating ceramic substrate and sintering and integrating them by heat treatment. A piezoelectric / electrostrictive film type actuator is used, and the insulating ceramic substrate is stabilized or partially stabilized by at least one of yttrium oxide, ytterbium oxide, cerium oxide, calcium oxide, and magnesium oxide. Some of them were formed from modified zirconia ceramics (see JP-A-5-29675 and JP-A-6-260694).
【０００４】このような圧電／電歪膜型アクチュエータ
は、駆動部を薄くできるとともに、接着剤等を用いずに
一体化でき、さらには絶縁性セラミック基板が高強度、
高靱性のジルコニアセラミックスからなるため基板の厚
みを薄くできるといった特徴があり、それ故、相対的に
低電圧駆動にて大きな屈曲変位が得られるとともに、応
答速度を早めることができ、さらには同一基板上におい
て駆動部の高集積化が可能となるなどの優れた利点を有
していた。In such a piezoelectric / electrostrictive film type actuator, the driving portion can be made thinner and can be integrated without using an adhesive or the like.
Since it is made of high toughness zirconia ceramics, it has the characteristic that the thickness of the substrate can be reduced, so that a large bending displacement can be obtained with relatively low voltage driving, the response speed can be increased, and furthermore, the same substrate can be used. In the above, there were excellent advantages such as high integration of the driving section.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記安
定化剤でもって安定化あるいは部分安定化されたジルコ
ニアセラミックスからなる絶縁性セラミック基板は、耐
熱性がそれほど良くないため、駆動部を構成する下部電
極膜、圧電／電歪膜、上部電極膜をそれぞれ形成する際
の熱処理時において、ジルコニアの結晶相が立方晶や正
方晶から急激に単斜晶へ相変態するため、絶縁性セラミ
ック基板の強度が大きく低下し、屈曲時に作用する応力
によって破損したり、相変態に伴うジルコニア粒子の体
積膨張によって表面粗度が悪くなるために、駆動部を構
成する各膜を破壊したり歪みを発生させ、所望の変位量
や応答性が得られないといった課題があった。However, an insulating ceramic substrate made of zirconia ceramics stabilized or partially stabilized by the above-mentioned stabilizer has not so good heat resistance, so that a lower electrode constituting a driving portion is not provided. During the heat treatment for forming the film, the piezoelectric / electrostrictive film, and the upper electrode film, the crystal phase of zirconia rapidly changes from cubic or tetragonal to monoclinic, so the strength of the insulating ceramic substrate is reduced. It is greatly reduced, and is damaged by the stress acting upon bending, or the surface roughness is deteriorated by the volume expansion of the zirconia particles accompanying the phase transformation. However, there was a problem that the displacement amount and the response were not obtained.
【０００６】なお、これまでインクジェットプリンタヘ
ッドを例にとって説明したが、これらの課題はマイクロ
ホンや発音体（スピーカー等）など他の振動子や発振子
においても同様にあった。Although the description has been made by taking an ink jet printer head as an example, these problems also apply to other vibrators and oscillators such as a microphone and a sound generator (such as a speaker).
【０００７】[0007]
【発明の目的】本発明はかかる事情を背景にしてなされ
たものであり、その目的は、駆動部を構成する各膜を形
成する際の熱処理時に、強度劣化及び表面粗度の劣化の
ない部分安定化されたジルコニアセラミックスにより絶
縁性セラミック基板を形成し、以て、低電圧駆動であり
ながら大きな屈曲変位が得られ、応答速度の早い信頼性
に優れた圧電／電歪膜型アクチュエータを提供すること
にある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a method of forming a film constituting a driving section, which is free from strength deterioration and surface roughness deterioration during heat treatment. An insulative ceramic substrate is formed from stabilized zirconia ceramics, thereby providing a piezoelectric / electrostrictive film type actuator with a high response speed and a high response speed, capable of obtaining a large bending displacement while being driven at a low voltage. It is in.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、薄肉の絶縁性セラミック基板上に下部電極
膜、圧電／電歪膜、及び上部電極膜を順次焼結一体化し
た駆動部を有する圧電／電歪膜型アクチュエータにおい
て、上記絶縁性セラミック基板を、酸化ディスプロシウ
ム及び酸化セリウムを安定化剤として含有してなり、ジ
ルコニアの結晶相が主として正方晶からなる部分安定化
ジルコニアセラミックスにより形成するとともに、上記
絶縁性セラミック基板の少なくとも駆動部側の表面粗さ
を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０３〜０．９μｍとし
たことを特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems, the present invention provides a drive unit in which a lower electrode film, a piezoelectric / electrostrictive film, and an upper electrode film are sequentially sintered and integrated on a thin insulating ceramic substrate. Wherein the insulating ceramic substrate contains dysprosium oxide and cerium oxide as a stabilizer, and a partially stabilized zirconia ceramic in which the crystal phase of zirconia is mainly tetragonal. And the surface roughness of at least the drive section side of the insulating ceramic substrate is set to a center line average roughness (Ra) of 0.03 to 0.9 μm.
【０００９】[0009]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。Embodiments of the present invention will be described below.
【００１０】図１は本発明の圧電／電歪膜型アクチュエ
ータ１の一例を示す一部を破断した斜視図で、酸化ディ
スプロシウム及び酸化セリウムの安定化剤を含有してな
り、ジルコニアの結晶相が主として正方晶からなる部分
安定化ジルコニアセラミックスにより形成した薄肉の絶
縁性セラミック基板２の一主面上に、下部電極膜４、圧
電／電歪膜５、及び上部電極膜８を順次積層し、熱処理
を加えて焼結一体化して駆動部９を構成したものであ
り、図１のアクチュエータにおいて、下部電極膜４は圧
電／電歪膜５より延設してあり、この延設部をリード取
出部４ａとするとともに、上部電極膜８はコーナーの一
部をリード取出部８ａとしてある。FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing an example of a piezoelectric / electrostrictive film type actuator 1 according to the present invention. The piezoelectric / electrostrictive film type actuator 1 contains a dysprosium oxide and cerium oxide stabilizer, and is made of zirconia crystal. A lower electrode film 4, a piezoelectric / electrostrictive film 5, and an upper electrode film 8 are sequentially laminated on one main surface of a thin insulating ceramic substrate 2 formed of partially stabilized zirconia ceramics mainly composed of tetragonal phase. The actuator 9 shown in FIG. 1 has a lower electrode film 4 which extends from the piezoelectric / electrostrictive film 5 and which is connected to a lead. In addition to the lead-out portion 4a, the upper electrode film 8 has a part of the corner as the lead-out portion 8a.
【００１１】また、図２は本発明の圧電／電歪膜型アク
チュエータ１１の他の例を示す一部を破断した斜視図
で、酸化ディスプロシウム及び酸化セリウムの安定化剤
を含有してなり、ジルコニアの結晶相が主として正方晶
からなる部分安定化ジルコニアセラミックスにより形成
した絶縁性セラミック基板２の一主面に、複数の帯状電
極１２とそれらを接続する帯状の電極接続部１３とから
なる櫛型の下部電極膜１４と、該下部電極膜１４と同形
の櫛型状をした板状の圧電／電歪膜１５、及び複数の帯
状電極１６とそれらを接続する帯状の電極接続部１７と
からなる櫛型の上部電極膜１８を順次積層し、熱処理を
加えて焼結一体化して駆動部１９を構成したものであ
り、各電極膜１４，１８はそれぞれ延設する電極接続部
１３，１７の端部をそれぞれリード取出部１４ａ，１８
ａとしてある。FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing another example of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator 11 of the present invention, which contains a stabilizer for dysprosium oxide and cerium oxide. A comb composed of a plurality of strip-shaped electrodes 12 and strip-shaped electrode connecting portions 13 connecting them to one main surface of an insulating ceramic substrate 2 formed of partially stabilized zirconia ceramics mainly composed of tetragonal zirconia crystal phase. A lower electrode film 14, a comb-shaped plate-shaped piezoelectric / electrostrictive film 15 having the same shape as the lower electrode film 14, a plurality of strip electrodes 16, and a strip electrode connecting portion 17 connecting them. A drive unit 19 is formed by sequentially laminating a comb-shaped upper electrode film 18 and applying heat treatment to form a drive unit 19. The electrode films 14, 18 are respectively formed by extending electrode connection units 13, 17. Remove the end Each lead take-out portion 14a, 18
a.
【００１２】かくして、これらの圧電／電歪膜型アクチ
ュエータ１，１１のリード取出部４ａ，８ａ，１４ａ，
１８ａに通電して圧電／電歪膜５，１５に電界を発生さ
せると、電界誘起歪により、絶縁性セラミック基板２を
板厚方向に屈曲変位させることがきる。Thus, the lead extraction portions 4a, 8a, 14a, and 14a of these piezoelectric / electrostrictive film type actuators 1 and 11 are provided.
When an electric field is generated in the piezoelectric / electrostrictive films 5 and 15 by applying a current to 18a, the insulating ceramic substrate 2 can be bent and displaced in the thickness direction by the electric field induced strain.
【００１３】また、絶縁性セラミック基板２上には、各
電極膜４，８，１４，１８及圧電／電歪膜５，１５が直
接一体的に形成され、接着剤等が介在しないため、圧電
／電歪膜５，１５の電界誘起歪をほぼ直にセラミック基
板２へ伝達することができ、以て、低電圧駆動にて大き
な屈曲変位が得られるとともに、応答速度を早くするこ
とができる。しかも、同一セラミック基板２上には駆動
部９，１９を同時に形成することができるため、駆動部
９，１９の高集積化も可能となる。The electrode films 4, 8, 14, 18 and the piezoelectric / electrostrictive films 5, 15 are formed directly and integrally on the insulating ceramic substrate 2 without any adhesive or the like. The electric field-induced strain of the / electrostrictive films 5 and 15 can be transmitted to the ceramic substrate 2 almost directly, so that a large bending displacement can be obtained by low voltage driving and the response speed can be increased. In addition, since the driving units 9 and 19 can be simultaneously formed on the same ceramic substrate 2, high integration of the driving units 9 and 19 is also possible.
【００１４】なお、駆動部９，１９の形成にあたって、
下部電極膜４，１４、圧電／電歪膜５，１５、及び上部
電極膜８，１８を順次積層し、熱処理を加えて焼結一体
化するとは、下部電極膜４，１４、圧電／電歪膜５，１
５、及び上部電極膜８，１８を構成する各々のペースト
やスラリーを塗布するごとに熱処理を加えて焼結させ、
絶縁性セラミック基板２上に順次一体的に形成するか、
あるいは下部電極膜４，１４、圧電／電歪膜５，１５、
及び上部電極膜８，１８を構成する各々のペーストやス
ラリーを全て積層したあと、熱処理を加えて一体的に焼
結させることを言い、上記ペーストやスラリーを塗布す
る方法としては、スクリーン印刷法、スプレー法、ディ
ッピング法、塗布等の公知の厚膜形成手法を用いること
ができる。In forming the driving units 9 and 19,
Lower electrode films 4 and 14, piezoelectric / electrostrictive films 5 and 15, and upper electrode films 8 and 18 are sequentially stacked, and heat treatment is applied to integrate them by sintering. Membrane 5,1
5, and heat treatment is applied and sintered each time the paste or slurry constituting the upper electrode films 8, 18 is applied,
Whether they are sequentially formed integrally on the insulating ceramic substrate 2 or
Alternatively, lower electrode films 4, 14, piezoelectric / electrostrictive films 5, 15,
And laminating all the pastes and slurries constituting the upper electrode films 8 and 18 and then applying heat treatment and sintering them integrally. As a method of applying the pastes and slurries, there are screen printing, Known techniques for forming a thick film such as a spray method, a dipping method, and a coating method can be used.
【００１５】また、図２のように電極膜１４，１８を櫛
型など複雑なパターン形状に形成する方法としては、ス
クリーン印刷法以外に、レーザー加工法、スライシン
グ、超音波加工等の機械加工法やフォトリソグラフィー
法を用いれば良い。As a method for forming the electrode films 14 and 18 into a complicated pattern such as a comb shape as shown in FIG. 2, in addition to a screen printing method, a mechanical processing method such as a laser processing method, slicing, or ultrasonic processing. Alternatively, a photolithography method may be used.
【００１６】さらに、絶縁性セラミック基板２の形状と
しては上下面が平坦な板状体だけでなく、一方の面にキ
ャビティ部を設けた板状体であっても良く、また、その
平面形状は長方形をしたものだけに限らず、正方形や三
角形など他の多角形をしたもの、さらには円形、楕円
形、リング状、櫛型状など使用目的に応じて適宜設計す
れば良い。また、駆動部９，１９の平面形状においても
三角形や四角形等の多角形、円形、楕円形、リング状、
あるいは格子状とすることができ、さらにはこれらを組
み合わせた特殊形状であっても何等差し支えない。Further, the shape of the insulating ceramic substrate 2 is not limited to a plate-like body having flat upper and lower surfaces, but may be a plate-like body having a cavity on one surface. The shape is not limited to a rectangular shape, but may be another polygonal shape such as a square or a triangle, or a circular, elliptical, ring-shaped, comb-shaped, or any other suitable design depending on the purpose of use. Also, in the planar shapes of the driving units 9 and 19, polygons such as triangles and quadrangles, circles, ellipses, rings,
Alternatively, it may be formed in a lattice shape, and a special shape combining these may be used.
【００１７】ところで、本発明によれば、振動板として
機能する絶縁性セラミック基板２を、酸化ディスプロシ
ウム及び酸化セリウムの２種類の安定化剤を含有させ、
ジルコニアの結晶相が主として正方晶からなる部分安定
化されたジルコニアセラミックスにより形成してあるこ
とから、数μｍ乃至数十μｍといった薄い板厚としても
十分な曲げ強度と高靱性を兼ね備えたものとすることが
でき、さらには駆動部９，１９を形成する際の熱処理時
における熱応力が小さく、かつ下部電極膜４，１４、圧
電／電歪膜５，１５、上部電極膜８，１８との化学的な
反応が少ないといった利点がある。According to the present invention, the insulating ceramic substrate 2 functioning as a diaphragm contains two kinds of stabilizers, dysprosium oxide and cerium oxide,
Since the crystal phase of zirconia is mainly formed of partially stabilized zirconia ceramics composed of tetragonal crystals, it should have sufficient bending strength and high toughness even with a thin plate thickness of several μm to several tens μm. Further, thermal stress at the time of heat treatment for forming the driving portions 9 and 19 is small, and chemical reaction between the lower electrode films 4 and 14, the piezoelectric / electrostrictive films 5 and 15, and the upper electrode films 8 and 18 can be performed. There is an advantage that there is little natural reaction.
【００１８】即ち、ジルコニアは安定化剤等の添加物を
含まない純粋な状態では、１０００℃付近で正方晶から
単斜晶への相変態が頻繁に起こり、薄肉の絶縁性セラミ
ック基板２を製作することが難しいのであるが、上記の
如き安定化剤を加えることによって相変態が部分的に起
こるようにしたことから、この部分的に起こる応力誘起
相変態強化メカニズムにより高い曲げ強度と高靭性を実
現することができる。なお、本発明において部分安定化
されているとは、ジルコニアの主結晶相が正方晶からな
り、ジルコニアの一部が部分的に相変態を起こし得るよ
うに材料調整されていることであり、また、ジルコニア
の結晶相が主として正方晶からなるとは、実質的に正方
晶のみからなる場合は勿論のこと、正方晶量が５０重量
％以上であって、他に立方晶及び／又は単斜晶を含む混
晶からなるものを含むものを言う。That is, zirconia frequently undergoes a phase transformation from tetragonal to monoclinic at around 1000 ° C. in a pure state containing no additives such as a stabilizer, thereby producing a thin insulating ceramic substrate 2. However, since the phase transformation is partially caused by adding the stabilizer as described above, high bending strength and high toughness can be achieved by the stress-induced phase transformation strengthening mechanism that occurs partially. Can be realized. In the present invention, being partially stabilized means that the main crystal phase of zirconia is made of tetragonal, and the material is adjusted so that a part of zirconia can partially undergo phase transformation, The fact that the crystal phase of zirconia mainly consists of tetragonal means that not only the case where it is substantially composed of only tetragonal, but also that the amount of tetragonal is not less than 50% by weight and that cubic and / or monoclinic is Includes those containing mixed crystals.
【００１９】また、酸化ディスプロシウム及び酸化セリ
ウムの含有によって部分安定化されたジルコニアは、従
来のような酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、酸
化セリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム等の安
定化剤によって安定化あるいは部分安定化されたジルコ
ニアと比較して熱的安定性に優れることから、駆動部
９，１９の形成における熱処理時に頻繁に発生していた
立方晶や正方晶から単斜晶への急激な相変態を抑えるこ
とができるために大幅な強度劣化がなく、数μｍ乃至数
十μｍといった薄い板厚でありながら大きく屈曲変位さ
せても破損することのない絶縁性セラミック基板２とす
ることができる。Zirconia partially stabilized by the inclusion of dysprosium oxide and cerium oxide can be stabilized or stabilized by conventional stabilizers such as yttrium oxide, ytterbium oxide, cerium oxide, calcium oxide and magnesium oxide. Because of its superior thermal stability compared to partially stabilized zirconia, rapid phase transformation from cubic or tetragonal to monoclinic, which has frequently occurred during heat treatment in the formation of driving parts 9 and 19, Therefore, it is possible to obtain an insulating ceramic substrate 2 which does not undergo significant deterioration in strength and has a small plate thickness of several μm to several tens μm and is not damaged even when subjected to large bending displacement.
【００２０】さらに、ジルコニア粒子は正方晶から単斜
晶へ相変態する際、体積膨張が起こるため、相変態の起
こる割合が多いと、絶縁性セラミック基板２の表面粗度
が大幅に低下し、駆動部９，１９の形成時に歪みが発生
したり、あるいは相変態によってジルコニア粒子が突起
状に体積膨張する結果、下部電極膜４，１４を突き破
り、その上の圧電／電歪膜５，１５を破壊する恐れがあ
る。しかも、この相変態が不規則な頻度で発生すると、
同一基板２上に複数の駆動部９，１９を形成する場合、
各駆動部９，１９が形成される表面状態によって駆動部
９，１９の特性バラツキが発生することになる。Further, since the zirconia particles undergo volume expansion when undergoing phase transformation from tetragonal to monoclinic, if the phase transformation occurs at a high rate, the surface roughness of the insulating ceramic substrate 2 is greatly reduced, Distortion occurs during the formation of the driving portions 9 and 19, or the zirconia particles expand in a protruding volume due to phase transformation, thereby breaking through the lower electrode films 4 and 14 and forming the piezoelectric / electrostrictive films 5 and 15 thereon. There is a risk of destruction. Moreover, if this phase transformation occurs at an irregular frequency,
When a plurality of driving units 9 and 19 are formed on the same substrate 2,
Variations in the characteristics of the driving units 9 and 19 occur depending on the surface condition on which the driving units 9 and 19 are formed.
【００２１】これに対し、本発明の部分安定化されたジ
ルコニアセラミックスは、熱的安定性に優れ、駆動部
９，１９の形成時における正方晶から単斜晶への相変態
が少なく基板２の表面荒れを抑えることができるため、
駆動部９，１９の破壊や歪みを防いで、所望の変位量や
高速応答性を実現することができる。On the other hand, the partially stabilized zirconia ceramic of the present invention is excellent in thermal stability, has little phase transformation from tetragonal to monoclinic when the driving parts 9 and 19 are formed, and has a low Because surface roughness can be suppressed,
The desired displacement and high-speed responsiveness can be realized by preventing the drive units 9 and 19 from being broken or distorted.
【００２２】このような特性を得るために、ジルコニア
の結晶相が主として正方晶からなるように構成するに
は、酸化ディスプロシウムの含有量を０．５〜４．５モ
ル％とするとともに、酸化セリウムの含有量を２〜８モ
ル％とし、かつこれらの安定化剤の合計含有量を６〜１
２．５モル％とすることが重要である。In order to obtain such characteristics, the zirconia crystal phase must be mainly composed of a tetragonal crystal in which the content of dysprosium oxide is set to 0.5 to 4.5 mol%. The content of cerium oxide is 2 to 8 mol%, and the total content of these stabilizers is 6 to 1%.
It is important that the content be 2.5 mol%.
【００２３】即ち、酸化ディスプロシウムの含有量が
０．５モル％未満であると、駆動部９，１９を形成する
前のジルコニアの単斜晶量が５０重量％以上となり、表
面粗度が劣化するとともに、焼結に伴ってクラックが発
生しやすいからであり、４．５モル％を越えると、ジル
コニアの主結晶相が立方晶となり、ジルコニアセラミッ
クスの強度が大幅に低下するからである。また、酸化セ
リウムの含有量が２モル％未満であると、駆動部９，１
９の形成における熱処理によってジルコニアの単斜晶量
が５０重量％以上となって強度が低下し、８モル％を越
えると、ジルコニアセラミックスの強度が大幅に低下す
るからである。That is, when the content of dysprosium oxide is less than 0.5 mol%, the monoclinic amount of zirconia before forming the driving parts 9 and 19 becomes 50% by weight or more, and the surface roughness is reduced. This is because the zirconia is deteriorated and cracks are likely to be generated with sintering. If the content exceeds 4.5 mol%, the main crystal phase of zirconia becomes cubic, and the strength of the zirconia ceramics is greatly reduced. When the content of cerium oxide is less than 2 mol%, the driving units 9.1
This is because the heat treatment in the formation of No. 9 causes the monoclinic amount of zirconia to become 50% by weight or more and the strength to decrease, and when it exceeds 8 mol%, the strength of the zirconia ceramics greatly decreases.
【００２４】さらに、これら安定化剤の合計含有量が６
モル％未満となると、駆動部９，１９の形成における熱
処理によってジルコニアの単斜晶量が５０重量％以上と
なり、表面粗度が劣化するからであり、１２．５モル％
より多くなると、ジルコニアの立方晶量が５０重量％以
上となって部分安定化というよりはむしろ安定化される
ため、体積膨張によって表面状態が悪くなり、その結
果、その表面上に形成する駆動部９，１９の各電極膜
４，８，１４，１８や圧電／電歪膜５，１５が不均一と
なるために、所望の屈曲特性が得られないからである。Further, when the total content of these stabilizers is 6
If it is less than 1 mol%, the amount of monoclinic zirconia will be 50 wt% or more due to heat treatment in the formation of the driving parts 9 and 19, and the surface roughness will be deteriorated.
When the amount increases, the cubic crystal content of zirconia becomes 50% by weight or more and is stabilized rather than partially stabilized, so that the surface state is deteriorated due to volume expansion, and as a result, a driving unit formed on the surface This is because the desired bending characteristics cannot be obtained because the electrode films 9 and 19 and the piezoelectric / electrostrictive films 5 and 15 are not uniform.
【００２５】より好ましくは、酸化ディスプロシウムの
含有量を０．５〜２．５モル％とするとともに、酸化セ
リウムの含有量を５．５〜７．５モル％とすることが良
い。また、絶縁性セラミック基板２の強度及びジルコニ
ア結晶相を安定化させるためには、ジルコニアの平均結
晶粒子径も重要な要件であり、３μｍ以下、好ましく２
μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下が良く、この範
囲内にあれば単斜晶量を抑え、強度及び靱性を向上させ
ることができる。More preferably, the content of dysprosium oxide is 0.5 to 2.5 mol%, and the content of cerium oxide is 5.5 to 7.5 mol%. In order to stabilize the strength of the insulating ceramic substrate 2 and the zirconia crystal phase, the average crystal particle diameter of zirconia is also an important requirement, and is 3 μm or less, preferably 2 μm or less.
μm or less, and more preferably 1 μm or less is preferable, and within this range, the amount of monoclinic crystals can be suppressed and the strength and toughness can be improved.
【００２６】さらに、本発明の部分安定化ジルコニアセ
ラミックスには、前述したジルコニアと安定化剤を必須
成分として含む以外に、例えばアルミナを含有していて
も良く、この場合３重量％まで許容される。Further, the partially stabilized zirconia ceramics of the present invention may contain, for example, alumina in addition to the above-mentioned zirconia and a stabilizer as essential components. In this case, up to 3% by weight is permissible. .
【００２７】なお、ジルコニアの結晶相の同定にあたっ
ては、ジルコニアセラミックスを鏡面研磨し、Ｘ線回折
測定法により確認することができる。In identifying the crystal phase of zirconia, the zirconia ceramics can be confirmed by mirror polishing and X-ray diffraction measurement.
【００２８】即ち、正方晶量の算出にあたっては、Ｘ線
回折における単斜晶ジルコニアのＸ線回折ピーク強度を
Ｉｍ（１１１），Ｉｍ（−１１１）、立方晶ジルコニア
のＸ線回折ピーク強度をＩｃ（１１１）、及び正方晶ジ
ルコニアのＸ線回折ピーク強度をＩｔ（１１１）とする
と、数１により算出することができる。That is, when calculating the amount of tetragonal crystal, the X-ray diffraction peak intensity of monoclinic zirconia in the X-ray diffraction is Im (111), Im (−111), and the X-ray diffraction peak intensity of cubic zirconia is Ic. Assuming that the X-ray diffraction peak intensity of (111) and tetragonal zirconia is It (111), it can be calculated by Equation 1.
【００２９】[0029]
【数１】 (Equation 1)
【００３０】また、ジルコニアセラミックスの組成につ
いてはＩＣＰ発光分光分析により確認することができ
る。The composition of zirconia ceramics can be confirmed by ICP emission spectroscopy.
【００３１】かくして、このような部分安定化ジルコニ
アセラミックスにより絶縁性セラミック基板２を形成す
れば、板厚を５０μｍ以下、３０μｍ以下、さらには１
０μｍ以下としても使用可能となるため、圧電／電歪膜
型アクチュエータ１，１１のさらなる応答性の向上と大
きな屈曲変位の実現が可能となる。Thus, if the insulating ceramic substrate 2 is formed of such a partially stabilized zirconia ceramic, the thickness of the insulating ceramic substrate 2 can be reduced to 50 μm or less, 30 μm or less, and even 1 μm or less.
Since it can be used even if the thickness is 0 μm or less, it is possible to further improve the responsiveness of the piezoelectric / electrostrictive film type actuators 1 and 11 and realize a large bending displacement.
【００３２】ところで、このような部分安定化されたジ
ルコニアセラミックスからなる絶縁性セラミック基板２
を製作するには、出発原料としてジルコニア（Ｚｒ
Ｏ2 ）の粉末に対し、酸化ディスプロシウム（Ｄｙ2 Ｏ
3 ）の粉末と酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）の粉末とを混
合、仮焼、粉砕する乾式合成法、あるいはジルコニウム
化合物と、ディスプロシウム化合物と、セリウム化合物
との混合溶液から共沈させて得た混合粉末を乾燥、仮
焼、粉砕する湿式合成法によりそれぞれ酸化ディスプロ
シウムと酸化セリウムの含有量が前述した範囲となるよ
うに調製した平均粒子径が１μｍ以下の部分安定化され
たジルコニア粉体を製作する。The insulating ceramic substrate 2 made of such partially stabilized zirconia ceramics
Zirconia (Zr) as a starting material
Powder O 2) with respect to, dysprosium oxide (Dy 2 O
3 ) Powder obtained by mixing, calcining and pulverizing the powder of cerium oxide (CeO 2 ) with the powder of cerium oxide, or by coprecipitation from a mixed solution of a zirconium compound, a dysprosium compound and a cerium compound. Partially stabilized zirconia powder having an average particle size of 1 μm or less prepared by a wet synthesis method in which the mixed powder is dried, calcined, and pulverized so that the contents of dysprosium oxide and cerium oxide are within the above-described ranges, respectively. To produce
【００３３】そして、このジルコニア粉体にバインダー
及び溶媒を添加混合して泥漿を作製し、ドクターブレー
ド法などのテープ成形法にてグリーンシートを成形する
か、あのいは上記泥漿をスプレードライヤにて乾燥造粒
して顆粒を製作し、この顆粒を所定の型内に充填して板
状体とする。この時、必要に応じて切削加工を施しても
良い。なお、原料調合の手段として前述では予め安定化
剤によって部分安定化されたジルコニア粉末を用意した
が、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）の粉末に対し、酸化ディス
プロシウム（Ｄｙ2 Ｏ3 ）の粉末と酸化セリウム（Ｃｅ
Ｏ2 ）の粉末、さらにバインダー及び溶媒を添加混合し
た泥漿を用いても良い。Then, a binder and a solvent are added to and mixed with the zirconia powder to form a slurry, and a green sheet is formed by a tape forming method such as a doctor blade method, or the slurry is dried by a spray dryer. The granules are produced by dry granulation, and the granules are filled in a predetermined mold to form a plate. At this time, cutting may be performed as necessary. As a raw material blending means, zirconia powder partially stabilized by a stabilizer is prepared in advance as described above, but zirconia (ZrO 2 ) powder is mixed with dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ) powder and oxidized oxide. Cerium (Ce
O 2 powder), may be used further slip was added and mixed a binder and a solvent.
【００３４】次に、得られた成形体を大気雰囲気中、酸
素雰囲気中、真空雰囲気中にて１３００℃〜１６００℃
の温度にて焼成することで、酸化ディスプロシウム及び
酸化セリウムを含有してなり、ジルコニアの結晶相が主
として正方晶からなる部分安定化されたジルコニアセラ
ミック製の絶縁性セラミック基板２を得ることができ
る。Next, the obtained molded body is heated at 1300 ° C. to 1600 ° C. in an air atmosphere, an oxygen atmosphere, or a vacuum atmosphere.
By baking at a temperature of, a partially stabilized zirconia ceramic insulating ceramic substrate 2 containing dysprosium oxide and cerium oxide and having a zirconia crystal phase mainly consisting of tetragonal crystal can be obtained. it can.
【００３５】一方、駆動部９，１９との密着性を高め、
圧電／電歪膜５，１５が発生する電界誘起歪に伴う応力
を絶縁性セラミック基板２に有効に伝えるためには、駆
動部９，１９の形成後における絶縁性セラミック基板２
の少なくとも駆動部９，１９側の表面粗さを中心線平均
粗さ（Ｒａ）で０．０３〜０．９μｍとすることが重要
であり、さらに、このような表面粗さの制御は板厚の薄
い絶縁性セラミック基板２の強度を確保するうえにおい
ても有効であるため、好ましくは中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）で０．１〜０．７μｍとすることが良い。この表面
粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．９μｍより大きく
なると、下部電極膜４，１４との密着強度を高めること
ができるものの、その上に形成する圧電／電歪膜５，１
５の平坦度が低下するため、圧電／電歪膜５，１５に発
生する電界が不均一なものとなり、所望の変位量が得ら
れないからであり、逆に中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．
０３μｍより小さくなると下部電極膜４，１４とのアン
カー効果が小さくなり、密着強度が低下するため、圧電
／電歪膜５，１５に通電して電界誘起歪を発生させると
剥離する恐れがあり信頼性に問題があるからである。な
お、熱処理後における表面粗さを上記範囲とするために
は、熱処理前の表面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で
０．０１〜０．９μｍ、好ましくは０．０１〜０．５μ
ｍとすることが良い。On the other hand, the adhesiveness with the driving parts 9 and 19 is improved,
In order to effectively transmit the stress caused by the electric field induced strain generated by the piezoelectric / electrostrictive films 5 and 15 to the insulating ceramic substrate 2, the insulating ceramic substrate 2 after forming the driving units 9 and 19 is required.
It is important that the surface roughness of at least the driving units 9 and 19 is 0.03 to 0.9 μm in terms of center line average roughness (Ra). It is also effective in securing the strength of the insulating ceramic substrate 2 having a small thickness, so that the center line average roughness (R
In (a), the thickness is preferably 0.1 to 0.7 μm. If the surface roughness is larger than 0.9 μm in center line average roughness (Ra), the adhesion strength to the lower electrode films 4 and 14 can be increased, but the piezoelectric / electrostrictive films 5 and 1
5 is reduced, the electric field generated in the piezoelectric / electrostrictive films 5 and 15 becomes non-uniform, and a desired amount of displacement cannot be obtained. Conversely, the center line average roughness (Ra) Is 0.
If the thickness is smaller than 03 μm, the anchor effect with the lower electrode films 4 and 14 is reduced, and the adhesion strength is reduced. This is because there is a problem in sex. In order to keep the surface roughness after the heat treatment within the above range, the surface roughness before the heat treatment is 0.01 to 0.9 μm, preferably 0.01 to 0.5 μm in terms of center line average roughness (Ra).
m.
【００３６】また、駆動部９，１９を構成する圧電／電
歪膜５，１５の材質としては、電界誘起歪みを発生する
ものであれば良く、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐ
ＺＴ系）を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛
（ＰＭＮ系）を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛
（ＰＭＮ系）を主成分とする材料、マンガンニオブ酸鉛
を主成分とする材料、アンチモンスズ酸鉛を主成分とす
る材料、亜鉛ニオブ酸鉛を主成分とする材料、チタン酸
鉛を主成分とする材料、さらにはこれらの複合材料等を
用いることができる。また、前記主成分に対し、ランタ
ン、バリウム、ニオブ、亜鉛、セリウム、カドミウム、
クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タ
ンタル、タングステン、ニッケル、マンガン、リチウ
ム、ストロンチウム、カルシウム、ビスマス等の酸化物
やその他の化合物を添加物として含有せしめた材料でも
構わない。The material of the piezoelectric / electrostrictive films 5 and 15 constituting the driving portions 9 and 19 may be any material that generates an electric field-induced strain. For example, lead zirconate titanate (P
ZT) -based material, magnesium lead niobate (PMN-based) -based material, nickel nickel niobate (PMN-based) -based material, lead manganese niobate-based material A material containing lead antimony stannate as a main component, a material containing lead zinc niobate as a main component, a material containing lead titanate as a main component, and a composite material thereof can be used. Further, lanthanum, barium, niobium, zinc, cerium, cadmium,
Materials containing oxides such as chromium, cobalt, antimony, iron, yttrium, tantalum, tungsten, nickel, manganese, lithium, strontium, calcium, bismuth and other compounds as additives may be used.
【００３７】これらの圧電／電歪材料の中でも特にマグ
ネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛の３成
分を主成分とする材料あるいはニッケルニオブ酸鉛とマ
グネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛の４
成分を主成分とする材料は、焼結させるための熱処理時
において前記絶縁性セラミック基板２との反応が少ない
ことから成分の偏析が起きにくく組成を保つための処理
が行い易いため、目的とする組成及び結晶構造が得やす
いなど、高い圧電定数を有することと併せて好適であ
る。Among these piezoelectric / electrostrictive materials, a material mainly containing three components of lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate, or lead nickel niobate, lead magnesium niobate, lead zirconate and titanium Lead acid 4
Since the material containing the component as a main component has a small reaction with the insulating ceramic substrate 2 during the heat treatment for sintering, segregation of the component hardly occurs and a process for maintaining the composition is easily performed, so that the purpose is achieved. It is suitable in addition to having a high piezoelectric constant, such as easy acquisition of composition and crystal structure.
【００３８】なお、多成分系の圧電／電歪材料の場合、
成分の組成によって圧電特性が変化するが、本発明で好
適に採用されるマグネシウムニオブ酸鉛ージルコン酸鉛
ーチタン酸鉛の３成分系材料では擬立方晶ー正方晶ー菱
面体晶の相境界付近の組成が好ましく、特にマグネシウ
ムニオブ酸鉛が１５モル％〜５０モル％、ジルコン酸鉛
が１０モル％〜４５モル％、チタン酸鉛が３０モル％〜
４５モル％の組成が、高い圧電定数と電気機械結合係数
を有することから有利である。In the case of a multi-component piezoelectric / electrostrictive material,
Although the piezoelectric properties change depending on the composition of the components, in the ternary material of lead magnesium niobate-lead zirconate-lead titanate preferably employed in the present invention, the quasi-cubic-tetragonal-rhombohedral phase boundary is used. The composition is preferable, and in particular, lead magnesium niobate is 15 mol% to 50 mol%, lead zirconate is 10 mol% to 45 mol%, and lead titanate is 30 mol% to
A composition of 45 mol% is advantageous because it has a high piezoelectric constant and an electromechanical coupling coefficient.
【００３９】さらに、上記圧電／電歪膜５，１５の上下
面に形成される各電極膜４，８，１４，１８の材質とし
ては、前記圧電／電歪膜５，１５の熱処理温度ならびに
焼成温度付近の高温酸化雰囲気に耐える導体であれば特
に制限されるものではなく、例えば金属や合金、あるい
は上記金属や合金に絶縁性セラミックスを加えた混合
物、さらには導電性セラミックスを用いることができ、
好ましくは、白金、パラジウム、ロジウム等の高融点貴
金属類や銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム
等の合金が良い。The material of each of the electrode films 4, 8, 14, and 18 formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric / electrostrictive films 5, 15 is, for example, a heat treatment temperature and a firing temperature of the piezoelectric / electrostrictive films 5, 15. The conductor is not particularly limited as long as it can withstand a high-temperature oxidizing atmosphere near the temperature.For example, a metal or alloy, or a mixture of the above metal or alloy and an insulating ceramic, or a conductive ceramic can be used.
Preferably, high melting point noble metals such as platinum, palladium and rhodium, and alloys such as silver-palladium, silver-platinum and platinum-palladium are preferable.
【００４０】また、各電極膜４，８，１４，１８の膜厚
としては、圧電／電歪膜５，１５による電界誘起歪みの
方向に応じて設定すれば良く、例えば、電界誘起歪の横
効果を用いるものにあっては２０μｍ以下、好ましくは
５μｍ以下の膜厚に形成すれば良く、また電界誘起歪の
縦効果を用いるものにあっては３μｍ以上、好ましくは
１０μｍ以上、さらに好ましくは２０μｍ以上の厚さに
設定すれば良い。The thickness of each of the electrode films 4, 8, 14, and 18 may be set according to the direction of the electric field induced strain by the piezoelectric / electrostrictive films 5 and 15. In the case of using the effect, the thickness may be 20 μm or less, preferably 5 μm or less, and in the case of using the longitudinal effect of electric field induced strain, 3 μm or more, preferably 10 μm or more, more preferably 20 μm or more. The thickness may be set to the above thickness.
【００４１】さらに、駆動部９，１９全体の厚さとして
は１００μｍ以下が良く、また圧電／電歪膜５，１５の
厚さとしては低作動電圧で大きな変位等を得るために３
〜５０μｍ、好ましくは３〜４μｍの範囲が良い。Further, the entire thickness of the driving units 9 and 19 is preferably 100 μm or less, and the thickness of the piezoelectric / electrostrictive films 5 and 15 is 3 in order to obtain a large displacement or the like at a low operating voltage.
The range is preferably from 50 to 50 μm, and more preferably from 3 to 4 μm.
【００４２】[0042]
【実施例１】酸化ディスプロシウムと酸化セリウムの含
有量を異ならせたジルコニアセラミックスからなる絶縁
性セラミック基板２と、酸化イットリウムを３モル％含
有させた部分安定化ジルコニアセラミックスからなる絶
縁性セラミック基板２、及び酸化マグネシウムを９モル
％含有させた部分安定化ジルコニアセラミックスからな
る絶縁性セラミック基板２をそれぞれ用意し、これらの
絶縁性セラミック基板２上に白金ペーストをスクリーン
印刷にて塗布したあと熱処理にて焼結一体化して白金か
らなる下部電極膜４を形成し、次いで下部電極膜４上に
マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛系
の圧電／電歪材料を含むペーストをスクリーン印刷にて
塗布したあと、約１２００℃の温度にて熱処理を加えて
焼結一体化することにより圧電／電歪膜５を形成すると
ともに、最後に圧電／電歪膜５上に下部電極膜４と同様
にして白金からなる上部電極膜８を形成することで駆動
部９を構成し、図１に示す圧電／電歪膜型アクチュエー
タ１を製作した。Embodiment 1 An insulating ceramic substrate 2 made of zirconia ceramics having different contents of dysprosium oxide and cerium oxide, and an insulating ceramic substrate made of partially stabilized zirconia ceramics containing 3 mol% of yttrium oxide 2, and an insulating ceramic substrate 2 made of partially stabilized zirconia ceramics containing 9 mol% of magnesium oxide, and a platinum paste was applied on these insulating ceramic substrates 2 by screen printing and then heat-treated. The lower electrode film 4 made of platinum is formed by sintering and integration, and then a paste containing a piezoelectric / electrostrictive material of lead magnesium niobate-lead zirconate-lead titanate is screen-printed on the lower electrode film 4. After application, heat treatment is applied at a temperature of about To form a piezoelectric / electrostrictive film 5 and, finally, an upper electrode film 8 made of platinum in the same manner as the lower electrode film 4 on the piezoelectric / electrostrictive film 5 to form a drive unit 9. The piezoelectric / electrostrictive film type actuator 1 shown in FIG.
【００４３】なお、駆動部９形成前の絶縁性セラミック
基板２の表面粗さを測定したところ、酸化ディスプロシ
ウムと酸化セリウムを含有するジルコニアセラミックス
及び酸化イットリウムを含有するジルコニアセラミック
スはいずれも中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．３μｍ程度
であったが、酸化マグネシウムを含有するジルコニアセ
ラミックスは結晶粒径が大きく、中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）で１．２μｍであった。When the surface roughness of the insulating ceramic substrate 2 before the formation of the drive section 9 was measured, the zirconia ceramics containing dysprosium oxide and cerium oxide and the zirconia ceramics containing yttrium oxide were all center lines. Although the average roughness (Ra) was about 0.3 μm, the zirconia ceramics containing magnesium oxide had a large crystal grain size and a center line average roughness (R).
In a), it was 1.2 μm.
【００４４】そして、上記駆動部９にＤＣ３０Ｖの電圧
を印加してアクチュエータ１を駆動させた時の変位量を
レーザ変位計にて測定するとともに、駆動部９の形成後
におけるジルコニアの結晶相をＸ線回折測定法にて測定
した。また、酸化ディスプロシウムと酸化セリウムの含
有量についてＩＣＰ発光分光分析にて測定した。The amount of displacement when the actuator 1 is driven by applying a voltage of 30 V DC to the drive unit 9 is measured by a laser displacement meter, and the crystal phase of zirconia after the formation of the drive unit 9 is changed to X. It was measured by a line diffraction measurement method. The contents of dysprosium oxide and cerium oxide were measured by ICP emission spectroscopy.
【００４５】なお、絶縁性セラミック基板２の寸法は、
１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×ｔ１０μｍの板状体とし、圧
電／電歪膜５の膜厚は３０μｍ、各電極膜４，８の膜厚
は３μｍ、駆動部９全体の平面形状は０．８ｍｍ×３ｍ
ｍの長方形とした。The dimensions of the insulating ceramic substrate 2 are as follows:
The plate is 1.5 mm × 1.5 mm × t10 μm, the thickness of the piezoelectric / electrostrictive film 5 is 30 μm, the thickness of each of the electrode films 4 and 8 is 3 μm, and the planar shape of the entire driving unit 9 is 0.8 mm. × 3m
m rectangle.
【００４６】それぞれの結果は表１に示す通りである。The results are as shown in Table 1.
【００４７】[0047]
【表１】 [Table 1]
【００４８】表１より判るように、絶縁性セラミック基
板２が酸化イットリウムを含有するジルコニアセラミッ
クスからなる試料Ｎｏ．８は、駆動部９の形成時、特に
圧電／電歪膜５の形成における熱処理時に正方晶が単斜
晶へ急激に相変態して単斜晶量が多くなり、強度及び表
面粗さの劣化によって駆動部９に歪みが発生し、０．０
６μｍ程度しか変位させることができなかった。As can be seen from Table 1, the insulative ceramic substrate 2 was made of zirconia ceramics containing yttrium oxide. 8 indicates that the tetragonal phase rapidly changes to monoclinic phase during the heat treatment in the formation of the drive section 9, especially the piezoelectric / electrostrictive film 5, and the amount of monoclinic phase increases, thereby deteriorating the strength and surface roughness. As a result, distortion is generated in the drive unit 9 and 0.0
It could only be displaced by about 6 μm.
【００４９】また、絶縁性セラミック基板２が酸化マグ
ネシウムを含有するジルコニアセラミックスからなる試
料Ｎｏ．９では、相変態は少ないものの表面状態が悪
く、駆動部９を構成する下部電極膜４，圧電／電歪膜
５、上部電極膜８を平坦に成膜できなかったため、０．
０８μｍ程度しか変位させることができなかった。The sample No. 2 in which the insulating ceramic substrate 2 was made of zirconia ceramics containing magnesium oxide was used. 9, although the phase transformation was small, the surface state was poor, and the lower electrode film 4, the piezoelectric / electrostrictive film 5, and the upper electrode film 8 constituting the driving unit 9 could not be formed flat.
The displacement was only about 08 μm.
【００５０】一方、酸化ディスプロシウムと酸化セリウ
ムを含有したジルコニアセラミックスにおいて、酸化デ
ィスプロシウムの含有量が２モル％、酸化セリウムの含
有量が２モル％である試料Ｎｏ．１は、安定化剤の合計
含有量が６モル％未満であるため、駆動部９の形成にお
ける熱処理時に正方晶が単斜晶へ急激に相変態して単斜
晶量が多くなり、表面粗さの劣化によって駆動部９に歪
みが発生し、その変位量は０．０９μｍであった。On the other hand, in a zirconia ceramic containing dysprosium oxide and cerium oxide, sample No. 2 having a dysprosium oxide content of 2 mol% and a cerium oxide content of 2 mol% was used. In No. 1, since the total content of the stabilizer was less than 6 mol%, the tetragonal phase rapidly changed to monoclinic during the heat treatment in the formation of the driving section 9 and the monoclinic amount increased, and the surface roughness increased. As a result, the drive unit 9 was distorted due to its deterioration, and the displacement amount was 0.09 μm.
【００５１】また、試料Ｎｏ．６，７は、酸化ディスプ
ロシウムの含有量が４．５モル％以上であるため、主と
して立方晶が存在し、ジルコニアセラミックスの強度が
小さくかつ表面粗さが悪いために、均一な駆動部９の形
成ができず、０．０６μｍ程度しか変位させることがで
きなかった。The sample No. In Nos. 6 and 7, since the content of dysprosium oxide is 4.5 mol% or more, cubic crystals are mainly present, and the strength of zirconia ceramics is small and the surface roughness is poor. Could not be formed and could only be displaced by about 0.06 μm.
【００５２】これに対し、試料Ｎｏ．２〜５は、酸化デ
ィスプロシウムの含有量が０．５〜４．５モル％、酸化
セリウムの含有量が２〜８モル％の範囲にあり、かつこ
れらの合計含有量が６〜１２．５モル％の範囲あるた
め、駆動部９の形成前後においても正方晶を主として存
在させることができ、強度劣化や表面粗度の劣化もない
ため、駆動部９に歪みがほとんどなく、その結果、０．
１μｍ以上変位させることが可能であった。On the other hand, the sample No. In Nos. 2 to 5, the content of dysprosium oxide is in the range of 0.5 to 4.5 mol%, the content of cerium oxide is in the range of 2 to 8 mol%, and the total content of these is 6 to 12. Since the content is in the range of 5 mol%, tetragonal crystals can be mainly present before and after the formation of the driving unit 9, and there is no deterioration in strength or surface roughness. Therefore, there is almost no distortion in the driving unit 9. 0.
It could be displaced by 1 μm or more.
【００５３】[0053]
【実施例２】そこで、表１における試料Ｎｏ．２のジル
コニアセラミックスを用い、駆動部９形成前の絶縁性セ
ラミック基板２の表面粗さを変化させ、駆動部９を形成
したあとの表面粗さと変位量との関係を調べる実験を行
った。[Embodiment 2] Therefore, the sample No. An experiment was conducted using the zirconia ceramics No. 2 and changing the surface roughness of the insulating ceramic substrate 2 before the formation of the drive unit 9 and examining the relationship between the surface roughness after the formation of the drive unit 9 and the amount of displacement.
【００５４】それぞれの結果は表２に示す通りである。The results are as shown in Table 2.
【００５５】この結果、表面粗さ（Ｒａ）が０．０３μ
ｍ未満の試料Ｎｏ．１０は駆動部９が剥離し、表面粗さ
（Ｒａ）が０．０９μｍより大きい試料Ｎｏ．１４では
駆動部９を構成する下部電極膜４，圧電／電歪膜５、上
部電極膜８を均一に成膜できないために所望の屈曲力が
得られず、０．０８μｍ程度しか変位させることができ
なかった。As a result, the surface roughness (Ra) was 0.03 μm.
m. In Sample No. 10, the driving unit 9 was peeled off and the surface roughness (Ra) was larger than 0.09 μm. In the case of 14, the desired bending force cannot be obtained because the lower electrode film 4, the piezoelectric / electrostrictive film 5, and the upper electrode film 8 constituting the driving section 9 cannot be formed uniformly, and the displacement can be made only about 0.08 μm. could not.
【００５６】これに対し、表面粗さ（Ｒａ）が０．０３
〜０．０９μｍの範囲にある試料１１〜１３は、均一な
膜４，５，８の形成ができ、剥離を生じることなく所望
の屈曲力が得られ、０．１μｍ以上の変位量が得られ
た。On the other hand, the surface roughness (Ra) was 0.03
Samples 11 to 13 in the range of 0.09 μm can form uniform films 4, 5 and 8, obtain a desired bending force without peeling, and obtain a displacement of 0.1 μm or more. Was.
【００５７】この結果、駆動部９形成後における絶縁性
セラミック基板２の表面粗さ（Ｒａ）は０．０３〜０．
０９μｍの範囲が良いことが判る。As a result, the surface roughness (Ra) of the insulating ceramic substrate 2 after the formation of the driving section 9 is 0.03 to 0.5.
It turns out that the range of 09 μm is good.
【００５８】[0058]
【表２】 [Table 2]
【００５９】[0059]
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、薄肉の
絶縁性セラミック基板上に下部電極膜、圧電／電歪膜、
及び上部電極膜を順次焼結一体化した駆動部を有する圧
電／電歪膜型アクチュエータにおいて、上記絶縁性セラ
ミック基板を、酸化ディスプロシウム及び酸化セリウム
を安定化剤として含有してなり、ジルコニアの結晶相が
主として正方晶からなる部分安定化ジルコニアセラミッ
クスにより形成するとともに、少なくとも上記駆動部を
形成する表面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０３〜
０．９μｍとしたことから、絶縁性セラミック基板上に
は各電極膜及び圧電／電歪膜が直接一体的に形成でき、
接着剤等が介在しないため、圧電／電歪膜の電界誘起歪
をほぼ直にセラミック基板へ伝達することができるた
め、低電圧駆動にて大きな屈曲変位が得られるととも
に、応答速度を速くすることができる。しかも、同一セ
ラミック基板上には駆動部を同時に形成することができ
るため、駆動部の高集積化も可能となる。As described above, according to the present invention, the lower electrode film, the piezoelectric / electrostrictive film,
A piezoelectric / electrostrictive film type actuator having a drive unit in which the upper electrode film is sequentially sintered and integrated, wherein the insulating ceramic substrate contains dysprosium oxide and cerium oxide as a stabilizer, The crystal phase is formed of partially stabilized zirconia ceramics mainly composed of tetragonal crystals, and at least the surface forming the drive section has a center line average roughness (Ra) of 0.03 to
Since the thickness is 0.9 μm, each electrode film and the piezoelectric / electrostrictive film can be directly and integrally formed on the insulating ceramic substrate,
Since no adhesive or the like is interposed, the electric field induced strain of the piezoelectric / electrostrictive film can be transmitted almost directly to the ceramic substrate, so that a large bending displacement can be obtained at low voltage driving and the response speed is increased. Can be. In addition, since the driving units can be simultaneously formed on the same ceramic substrate, high integration of the driving units is also possible.
【図１】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの一例
を示す一部を破断した斜視図である。FIG. 1 is a partially broken perspective view showing an example of a piezoelectric / electrostrictive film type actuator according to the present invention.
【図２】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの他の
例を示す一部を破断した斜視図である。FIG. 2 is a partially broken perspective view showing another example of the piezoelectric / electrostrictive film type actuator of the present invention.
１，１１ ・・・圧電／電歪膜型アクチュエータ ２ ・・・絶縁性セラミック基板 ４，１４ ・・・下部電極膜 ４ａ，１４ａ・・・リード取出部 ５，１５ ・・・圧電／電歪膜 ８，１８ ・・・上部電極膜 ８ａ，１８ａ・・・リード取出部 １２，１６ ・・・帯状電極 １３，１７ ・・・電極接続部 1, 11 ... piezoelectric / electrostrictive film type actuator 2 ... insulating ceramic substrate 4, 14 ... lower electrode film 4a, 14a ... lead extraction part 5, 15 ... piezoelectric / electrostrictive film 8, 18 ... upper electrode film 8a, 18a ... lead extraction part 12, 16 ... strip electrode 13, 17 ... electrode connection part
Claims (1)
膜、圧電／電歪膜、及び上部電極膜を順次焼結一体化し
て構成した駆動部を有する圧電／電歪膜型アクチュエー
タにおいて、上記絶縁性セラミック基板を、酸化ディス
プロシウム及び酸化セリウムを安定化剤として含有して
なり、ジルコニアの結晶相が主として正方晶からなる部
分安定化ジルコニアセラミックスにより形成するととも
に、上記絶縁性セラミック基板の少なくとも駆動部側の
表面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０３〜０．９
μｍであることを特徴とする圧電／電歪膜型アクチュエ
ータ。1. A piezoelectric / electrostrictive film type actuator having a drive unit formed by sequentially sintering and integrating a lower electrode film, a piezoelectric / electrostrictive film, and an upper electrode film on a thin insulating ceramic substrate. The insulating ceramic substrate contains dysprosium oxide and cerium oxide as stabilizers, and the zirconia crystal phase is formed of partially stabilized zirconia ceramics mainly composed of tetragonal crystal. The surface roughness of the driving section is 0.03 to 0.9 in terms of center line average roughness (Ra).
A piezoelectric / electrostrictive film type actuator having a thickness of μm.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10216787A JP2000049398A (en) | 1998-07-31 | 1998-07-31 | Piezoelectric/electrostrictive film actuator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10216787A JP2000049398A (en) | 1998-07-31 | 1998-07-31 | Piezoelectric/electrostrictive film actuator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000049398A true JP2000049398A (en) | 2000-02-18 |
Family
ID=16693885
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10216787A Pending JP2000049398A (en) | 1998-07-31 | 1998-07-31 | Piezoelectric/electrostrictive film actuator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000049398A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003012368A (en) * | 2001-06-27 | 2003-01-15 | Kyocera Corp | Semiconductive zirconia sintered compact |
| JP2004096070A (en) * | 2002-03-18 | 2004-03-25 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric actuator, its manufacturing method, liquid injection head, and its manufacturing method |
| JP2007214411A (en) * | 2006-02-10 | 2007-08-23 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Piezoelectric element, and manufacturing method of mems device |
| JP2014198398A (en) * | 2013-03-29 | 2014-10-23 | セイコーエプソン株式会社 | Flow path unit, liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, and manufacturing method of flow path unit |
-
1998
- 1998-07-31 JP JP10216787A patent/JP2000049398A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003012368A (en) * | 2001-06-27 | 2003-01-15 | Kyocera Corp | Semiconductive zirconia sintered compact |
| JP2004096070A (en) * | 2002-03-18 | 2004-03-25 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric actuator, its manufacturing method, liquid injection head, and its manufacturing method |
| JP2007214411A (en) * | 2006-02-10 | 2007-08-23 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Piezoelectric element, and manufacturing method of mems device |
| JP2014198398A (en) * | 2013-03-29 | 2014-10-23 | セイコーエプソン株式会社 | Flow path unit, liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, and manufacturing method of flow path unit |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5118294B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive porcelain composition, piezoelectric / electrostrictive body, and piezoelectric / electrostrictive film type element | |
| US5504388A (en) | Piezoelectric/electrostrictive element having electrode film(s) with specified surface roughness | |
| JP4039029B2 (en) | Piezoelectric ceramics, piezoelectric element, and multilayer piezoelectric element | |
| EP1675191A1 (en) | Piezoelectric/electrostrictive body, piezoelectric/electrostrictive laminate, and piezoelectric/electrostrictive actuator | |
| EP1642875A2 (en) | Piezoelectric/electrostrictive porcelain composition, piezoelectric/electrostrictive article, and piezoelectric/electrostrictive film type element | |
| WO2006095716A1 (en) | Piezoelectric ceramic composition and method for producing same | |
| JP4538493B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive membrane element | |
| JP2693291B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive actuator | |
| JP2008120665A (en) | Piezoelectric/electrostrictive material, piezoelectric/electrostrictive article and piezoelectric/electrostrictive element | |
| EP1835554A2 (en) | Piezoelectric ceramic device and method of manufacturing the same | |
| JP4537212B2 (en) | Method for manufacturing piezoelectric / electrostrictive element | |
| JP5180198B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive ceramics and piezoelectric / electrostrictive element | |
| JP3126212B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive film type element | |
| JP4945352B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive porcelain composition, piezoelectric / electrostrictive element and method for producing the same | |
| JP5219388B2 (en) | Piezoelectric ceramics and manufacturing method thereof | |
| JP2000049398A (en) | Piezoelectric/electrostrictive film actuator | |
| JP4782413B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive body, piezoelectric / electrostrictive laminate, and piezoelectric / electrostrictive film type actuator | |
| JP2005247619A (en) | Piezoelectric/electrostrictive ceramic composition, piezoelectric/electrostrictive substance, and piezoelectric/electrostrictive membrane type element | |
| JP2004349423A (en) | Multilayer piezoelectric/electrostrictive element | |
| EP1739064A1 (en) | Piezoelectric/electrostrictive porcelain composition, piezoelectric/electrostrictive body, and piezoelectric/electrostrictive film type device | |
| JP3272004B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive film type element | |
| JP2008078267A (en) | Piezoelectric ceramic, its manufacturing method, and piezoelectric/electrostrictive element | |
| JPH07131086A (en) | Piezoelectric film type element and its treatment method and drive method | |
| JP2011213580A (en) | Piezoelectric/electrostrictive sintered compact, and piezoelectric/electrostrictive element | |
| JP5054149B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive membrane element |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040203 |